基于刚柔耦合的地铁车辆横向止挡参数分析

黄超战+申林俊

摘 要：建立了某型地铁车辆横向止挡的有限元模型，实现了该有限元模型与多刚体车辆动力学模型的耦合仿真。研究了车辆通过小半径曲线时，横向止挡参数对车辆平稳性及对其自身应力应变的影响。结果表明车辆垂向平稳性主要受横向止挡摩擦系数影响，而车辆横向平稳性则主要受横向止挡刚度影响；横向止挡纵向剪切力随摩擦系数的增大而增大，垂向剪切力及横向力则随横向止挡刚度的增大而增大；当横向止挡摩擦系数减小时，止挡纵向形变显著减小。

关键词：地铁车辆；横向止挡；刚柔耦合模型；车辆平稳性

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.31.091

0 引言

当地铁车辆通过小半径曲线时，为防止车体出现过大的横向位移，同时减缓车体横向振动，确保车辆运行的安全性与平稳性，需在车体与构架之间设置横向止挡。在车辆通过曲线过程中，车体与横向止挡之间存在动态的挤压力及摩擦力，横向止挡在交变载荷作用下会出现局部折痕及裂纹，从而恶化车辆平稳性。

目前关于横向止挡的研究主要集中在两个方面，一是将横向止挡简化为一维非线性弹簧，研究横向止挡间隙及刚度对车辆动力学性能的影响，由于此类模型未考虑横向止挡与车体中心销之间的摩擦，因此无法反映横向止挡的剪切特性；二是建立横向止挡的有限元模型研究其准静态刚度特性，由于缺少相应的摩擦力输入，此类模型的研究停留在优化横向止挡单向刚度阶段，未涉及横向止挡剪切刚度及其表面摩擦系数的优化研究。

针对已有研究的不足，本文将横向止挡的动力学模型由一维完善至三维，建立了柔性横向止挡与刚性车辆系统的耦合模型，研究了横向止挡不同刚度条件下，其表面摩擦系数对车辆及对止挡自身的影响，相关计算结果可为横向止挡剪切裂纹的研究提供力学输入条件，也可为新型横向止挡的设计优化提供参考。

1 模型的建立

1.1 横向止挡模型

本文所建立的横向止挡有限元模型如图1所示，模型中共有58190个单元。横向止挡主要材料为硫化橡胶，其弹性模量为7.8MPa，泊松比为0.47，密度为1600kg/m3。为便于叙述，同时与车辆坐标系保持一致，称图1中x方向为纵向，y方向为横向，z方向为垂向。

为实现横向止挡有限元模型与车辆模型的耦合仿真，在横向止挡有限元模型上预留4个marker点，如图2所示。

横向止挡有限元模型与多刚体车辆动力学模型耦合时的铰接及力元设置如下：点1采用0号铰固结于构架指定位置；点2和点3之间建立横向接触力及垂向纵向摩擦力；点4与车体中心销指定点间建立横向接触力及垂向纵向摩擦力。

在将横向止挡有限元模型导入SIMPACK时，通过将有限元模型的刚度矩阵乘以附加系数可以方便的得到不同材料硬度下的橫向止挡模型，本文共建立了4种不同刚度的横向止挡模型，为便于叙述，称为模型1～4。4种模型的三向刚度特性如图3所示。

由图3可知，从模型1至模型4，横向止挡各向刚度依次递增。就同一横向止挡模型而言，其垂向刚度最大，横向刚度次之，而纵向刚度最小。横向刚度（图a）分为明显的两段，前段刚度较小，称为弹性压缩阶段，后段刚度较大，成为刚性压缩阶段。

1.2 车辆模型及线路设置

采用SIMPACK多体动力学软件建立的某型地铁车辆如图4所示，转向架采用无摇枕式Z字形牵引拉杆结构，全车共有52自由度。

为充分体现不同横向止挡参数对车辆平稳性及对止挡自身的影响，仿真时设置车辆为AW3状态，车速为80km/h，也即正常运行下的最高速，同时设置小半径曲线如表1所示。

2 横向止挡参数对车辆平稳性的影响

当车辆通过小半径曲线时，车体中心销与横向止挡之间存在挤压及相对滑移现象。实际运用过程中，通过改变横向止挡表面耐磨材料可以较为方便地改变横向止挡与中心销之间的摩擦系数。本文通过改变摩擦力元设置，将摩擦系数分别取为0.1～1.0。不同摩擦系数及不同模型条件下，车辆通过曲线过程中的平稳性指标如图5所示。

由图5（a）可知，降低横向止挡与中心销间摩擦系数，可明显改善车辆垂向平稳性；横向止挡刚度对垂向平稳性的影响较小；由图5（b）可知横向止挡与中心销间摩擦系数对车辆横向平稳性无明显影响；随着横向止挡刚度的增加，车辆横向平稳性指标仅略有增加。

3 止挡参数对其自身特性的影响

不同摩擦系数及不同刚度条件下，车辆通过小半径曲线过程中，止挡在三个方向所受力的有效值如图6所示。

从图6中可以看出，地铁车辆通过小半径曲线时，止挡主要受到横向压力的作用，垂向剪切力有效值与纵向剪切力有效值在数值上较为接近，两者均远小于横向压力有效值；横向止挡刚度越大，则其在各个方向上受到的力越大；以摩擦系数为0.6时为例，相对于模型1而言，模型4横向压力有效值增加了89.77%，垂向压力有效值增加了123.44%，纵向压力有效值增加了104.66%。摩擦系数对横向剪切力有效值无影响；纵向剪切力有效值随横向止挡摩擦系数的增加而近似线性增大；垂向剪切力有效值则随横向止挡摩擦系数的增加呈现先增长后趋于平稳的规律。

不同摩擦系数及不同刚度条件下，车辆通过小半径曲线过程中，横向止挡在三个方向形变量的有效值如图7所示。

从图7中可以看出，横向止挡在三个方向上的形变量均随其刚度的增大而减小；相同模型及相同摩擦系数条件下，横向止挡纵向形变量远大于垂向行变量；摩擦系数对横向形变量无明显影响；止挡垂向形变量随摩擦系数的增加呈现先增长后趋于稳定的趋势，而止挡纵向形变量随摩擦系数的增加而显著增加，以模型1为例，当摩擦系数由0.3增加至0.8时，止挡垂向形变量增加了9.63%，而纵向形变量则增加了81.67%。

4 结论

（1）地铁车辆通过小半径曲线时，横向止挡参数会影响到车辆平稳性；车辆垂向平稳性随止挡摩擦系数的增大而明显增大，受止挡刚度影响不明显；车辆横向平稳性随止挡刚度的增大而略有增大，受止挡摩擦系数的影响不明显。

（2）车辆通过小半径曲线时，横向止挡主要受到横向压力作用；横向止挡各方向上的力均随止挡刚度的增大而增大；横向压力有效值受摩擦系数影响不明显，纵向剪切力有效值随摩擦系数增大而近似线性增大，垂向剪切力有效值随摩擦系数增大呈现先增大后平稳的规律。

（3）止挡横向形变量主要受止挡刚度影响，受摩擦系数影响不明显；纵向行变量主要受止挡摩擦系数影响，受止挡刚度影响较小；止挡垂向形变量远小于纵向形变量。

（4）减小横向止挡摩擦系数，可以改善车辆通过小半径曲线时的垂向平稳性，同时显著减小横向止挡的纵向形变量。

参考文献

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